EA010775B1

EA010775B1 - Polyphase electrical machine with permanent magnets

Info

Publication number: EA010775B1
Application number: EA200800674A
Authority: EA
Inventors: Алексей Сергеевич АДАЛЕВ; Сергей Алексеевич БУЛГАКОВ; Алексей Сергеевич КИБАРДИН; Владимир Георгиевич КУЧИНСКИЙ; Владимир Федорович СОЙКИН; Андрей Михайлович ЧИЖОВ; Александр Витальевич Шилов
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2008-10-30
Also published as: EA200800674A1; WO2009092384A1

Abstract

An electrical machine comprising a salient pole stator and rotor mounted outside the stator and formed by a force ring and a magnetic system. The magnetic system comprises packs of sectional plates with recesses in which packs of pole plates are arranged being, substantially triangular-shaped, one apexes of which facing the force ring, and tangentially magnetized magnetic blocks, positioned between sectional and pole plates, wherein each pack of the pole plates is tightened axially by fixing elements passed through an inner aperture in the pole plates. The electrical machine is characterized in that each pole plate has a slot extending from said inner aperture to said apex, and a profile element is provided arranged in the zone of said apex in the rotor axial direction, rigidly connected to the fixing element through said slot using at least one tightening device so that said profile element adjoins the inner end faces of the magnetic blocks.

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к многофазным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов.The present invention relates to electrical engineering, namely to multiphase electric machines with excitation from permanent magnets.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны синхронные машины (Бут Д.А. «Бесконтактные электрические машины», М. «Высшая школа», 1985), которые содержат статор с магнитопроводом и обмоткой; ротор, содержащий магнитные полюса, выполненные из магнитно-мягкого материала, и постоянные магниты с тангенциальным намагничиванием, примыкающие к полюсам. Для удержания постоянных магнитов и полюсов на роторе при воздействии на них центробежной силы используется наружный металлический цилиндр с чередующимися в нем магнитными и немагнитными участками. Толщина цилиндра определяется величиной действующей центробежной нагрузки и механическими свойствами материала цилиндра. Такая конструкция имеет ограниченную механическую прочность, связанную с ограниченными механическими свойствами составного цилиндра из различных материалов, что, в свою очередь, ограничивает скорость вращения и приводит к ограничению по максимальному диаметру ротора и, соответственно, по предельной мощности машины.Synchronous machines are known from the prior art (Booth D. A. “Contactless electric machines”, M. “Higher School”, 1985), which contain a stator with a magnetic circuit and a winding; a rotor containing magnetic poles made of soft magnetic material, and permanent magnets with tangential magnetization adjacent to the poles. To hold the permanent magnets and poles on the rotor when subjected to centrifugal force, an external metal cylinder is used with alternating magnetic and non-magnetic sections in it. The thickness of the cylinder is determined by the magnitude of the current centrifugal load and the mechanical properties of the material of the cylinder. This design has limited mechanical strength associated with limited mechanical properties of a composite cylinder made of various materials, which, in turn, limits the speed of rotation and leads to a limitation on the maximum diameter of the rotor and, accordingly, on the ultimate power of the machine.

Известен также электрический генератор (ЕР1 508955 А1, Н02К 21/16, 23.02.2005), который содержит статор с магнитопроводом и многофазной обмоткой; и ротор, содержащий сплошной магнитопроводящий цилиндр с наклонными пазами, в которые установлены постоянные магниты. Полюса ротора, расположенные между постоянными магнитами, обращены в сторону воздушного зазора и механически связаны между собой по направлению окружности ротора перемычками материала цилиндра. Эти перемычки воспринимают центробежные силы, действующие на полюса и постоянные магниты.Also known is an electric generator (EP1 508955 A1, H2K 21/16, 02/23/2005), which contains a stator with a magnetic circuit and a multiphase winding; and a rotor comprising a continuous magnetically conducting cylinder with inclined slots in which permanent magnets are mounted. The rotor poles located between the permanent magnets are turned towards the air gap and are mechanically connected to each other in the direction of the circumference of the rotor by bridges of the material of the cylinder. These jumpers perceive centrifugal forces acting on the poles and permanent magnets.

Такая конструкция также имеет ряд недостатков. Наличие магнитопроводящей перемычки обусловливает наличие магнитных потоков рассеивания, замыкающихся через перемычки и не проходящих через воздушный зазор машины. Для снижения этих потоков необходимо уменьшать сечение перемычки, что ослабляет механическое крепление полюсов и постоянных магнитов и ограничивает возможную скорость вращения ротора и, тем самым, достигаемую мощность генератора.This design also has several disadvantages. The presence of a magnetically conducting jumper determines the presence of magnetic fluxes of dispersion, which are closed through the jumpers and do not pass through the air gap of the machine. To reduce these flows, it is necessary to reduce the cross-section of the jumper, which weakens the mechanical fastening of the poles and permanent magnets and limits the possible speed of rotation of the rotor and, thus, the achieved power of the generator.

Недостатком такой конструкции также являются значительные тепловые потери от вихревых токов, связанных с зубцовыми гармониками поля. Эти токи наводятся в приповерхностном проводящем слое магнитной системы ротора, образованном полюсами и перемычками, что негативно сказывается, в особенности, при повышенных частотах вращения.The disadvantage of this design is also significant heat loss from eddy currents associated with the tooth harmonics of the field. These currents are induced in the near-surface conductive layer of the rotor magnetic system, formed by poles and jumpers, which negatively affects, especially, at higher rotational speeds.

Для снижения величины этих потерь магнитные полюса и перемычки выгодно выполнять из шихтованного железа, что приводит к снижению величины вихревых токов в приповерхностном слое. Но в этом случае из-за меньшей прочности шихтованного электротехнического железа по сравнению с прочностью магнитных сталей уровень достигаемых скоростей также ограничивается.To reduce the magnitude of these losses, the magnetic poles and jumpers are advantageously made of laden iron, which leads to a decrease in the magnitude of eddy currents in the surface layer. But in this case, due to the lower strength of the charged electrical iron compared to the strength of magnetic steels, the level of achieved speeds is also limited.

Возможно магнитную систему ротора выполнять из отдельных шихтованных полюсов, не связанных между собой перемычками, и удерживать полюса за их хвостовики, закрепляемые на бочке ротора. В этом случае из-за того, что сечение хвостовика меньше, чем сечение самого полюса, они выдерживают меньшую по величине центробежную силу по сравнению с вариантом, где эту силу воспринимает все сечение полюса. Таким образом, данный вариант конструкции также ограничивает скорость вращения ротора и уровень мощности генератора.It is possible to carry out the rotor magnetic system from separate lined poles, not connected by jumpers, and to hold the poles by their shanks, fixed on the rotor barrel. In this case, due to the fact that the cross section of the shank is smaller than the cross section of the pole itself, they withstand a smaller centrifugal force compared to the version where the entire cross section of the pole perceives this force. Thus, this design option also limits the rotor speed and generator power level.

Наиболее предпочтительной для достижения больших скоростей вращения представляется конструкция обращенной машины, в которой ротор вращается снаружи закрепленного статора и элементы магнитной системы размещены на внутренней поверхности прочного цилиндра ротора.The most preferable for achieving high rotational speeds is the design of the inverted machine, in which the rotor rotates outside the fixed stator and the elements of the magnetic system are placed on the inner surface of the durable rotor cylinder.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Электрическая машина по настоящему изобретению лишена указанных выше недостатков и в то же время решает дополнительно поставленные задачи. Предлагаемая конструкция обеспечивает надежную и безопасную работу при высоких скоростях вращения ротора. Дополнительно реализуется повышение технологичности сборки предлагаемой электрической машины, упрощается ее проведение.The electric machine of the present invention is devoid of the above disadvantages and at the same time solves the additional tasks. The proposed design provides reliable and safe operation at high rotor speeds. Additionally, an increase in the manufacturability of the assembly of the proposed electric machine is implemented, and its implementation is simplified.

Предлагаемая электрическая машина содержит явнополюсный статор, явнополюсный ротор, установленный снаружи статора и образованный силовым кольцом и магнитной системой, включающей пакеты секторных пластин с выемками, в которых размещены пакеты полюсных пластин, имеющих, по существу, форму треугольника, одна из вершин которого обращена к силовому кольцу, и тангенциально намагниченные магнитные блоки, расположенные между пакетами секторных и полюсных пластин, причем каждый пакет полюсных пластин стянут в аксиальном направлении посредством крепежного элемента, пропущенного через внутреннее отверстие в полюсных пластинах. Электрическая машина отличается тем, что каждая полюсная пластина снабжена прорезью, проходящей от указанного внутреннего отверстия до указанной вершины, и предусмотрен профильный элемент, установленный в области указанной вершины в аксиальном направлении ротора, жестко соединенный через указанную прорезь с крепежным элементом посредством по меньшей мере одной силовой стяжки, таким образом, что указанный профильный элемент прилегает к внутренним торцевым сторонам магнитных блоков.The proposed electric machine comprises an explicit pole stator, an explicit pole rotor mounted on the outside of the stator and formed by a power ring and a magnetic system including packages of sector plates with recesses in which packages of pole plates having a substantially triangular shape are placed, one of the vertices of which faces the power ring, and tangentially magnetized magnetic blocks located between packages of sector and pole plates, with each package of pole plates pulled in the axial direction by ohm fastener passed through the internal bore in the pole plates. An electric machine is characterized in that each pole plate is provided with a slot extending from the indicated inner hole to the indicated apex, and a profile element is provided that is mounted in the region of the indicated apex in the axial direction of the rotor and is rigidly connected through the indicated slot to the fastening element by means of at least one power ties, so that the specified profile element is adjacent to the inner end sides of the magnetic blocks.

В настоящем изобретении пакет полюсных пластин, два магнитных блока, профильный элемент, по меньшей мере одна силовая стяжка и крепежный элемент могут образовывать независимый конструкIn the present invention, a stack of pole plates, two magnetic blocks, a profile element, at least one power coupler and a fastener can form an independent structure

- 1 010775 тивный узел, устанавливаемый в выемке пакета секторных пластин. Фиксация независимых конструктивных узлов и пакетов секторных пластин на силовом кольце может осуществляться посредством клиньев, устанавливаемых между независимыми конструктивными узлами, причем каждый клин связан по меньшей мере одной шпилькой с силовым кольцом. Шпилька при этом скреплена с аксиальной планкой, жестко установленной на силовом кольце. В свою очередь, аксиальная планка может быть приварена к силовому кольцу.- 1 010775 active unit installed in the recess of the package of sector plates. The fixing of independent structural units and packages of sector plates on the power ring can be carried out by means of wedges installed between independent structural nodes, with each wedge connected by at least one hairpin to the power ring. In this case, the hairpin is fastened with an axial bar rigidly mounted on the power ring. In turn, the axial bar can be welded to the power ring.

За счет наличия профильного элемента, жестко скрепляемого с крепежным элементом, обеспечивается дополнительная прочность магнитопровода, его устойчивость в том числе к возникающим при работе машины электромагнитным нагрузкам.Due to the presence of a profile element, rigidly fastened to the fastening element, additional strength of the magnetic circuit is ensured, as well as its resistance to electromagnetic loads arising during operation of the machine.

Упрощение изготовления электрической машины достигается путем независимой сборки конструктивных узлов и пакетов секторных пластин, а затем их установки в силовое кольцо ротора как отдельных конструктивных единиц. Предлагаемое крепление этих конструктивных единиц к силовому кольцу обеспечивает дополнительную прочность всей магнитной системы ротора.Simplification of the manufacture of an electric machine is achieved by independent assembly of structural units and packages of sector plates, and then their installation in the power ring of the rotor as separate structural units. The proposed fastening of these structural units to the power ring provides additional strength to the entire magnetic system of the rotor.

Перечень фигур чертежейList of drawings

На фиг. 1 схематически изображено продольное сечение примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению.In FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of an electric machine of the present invention.

На фиг. 2 схематически изображено поперечное сечение примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению.In FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an exemplary embodiment of an electric machine of the present invention.

На фиг. 3 схематически изображен участок ротора примерного варианта осуществления электрической машины по фиг. 2.In FIG. 3 schematically shows a portion of the rotor of an exemplary embodiment of the electric machine of FIG. 2.

На фиг. 4 схематически изображено поперечное сечение участка магнитопровода ротора по фиг. 3.In FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a portion of the rotor magnetic circuit of FIG. 3.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Далее описан один из возможных вариантов осуществления электрической машины по настоящему изобретению. Электрическая машина имеет корпус 1, на торцах которого установлены торцевые щиты 2. На внутренней стороне одного из торцевых щитов 2 установлен статор 3, имеющий цилиндрический корпус 4. В свою очередь, на цилиндрическом корпусе 4 расположен магнитопровод 5, имеющий явновыраженные полюса. Катушки 6, образующие многофазную обмотку, установлены на все полюса статора 3.The following describes one of the possible embodiments of the electric machine of the present invention. The electric machine has a housing 1, at the ends of which end shields are installed 2. On the inner side of one of the end shields 2, a stator 3 is installed having a cylindrical body 4. In turn, a magnetic circuit 5 is located on the cylindrical body 4, having distinct poles. Coils 6 forming a multiphase winding are installed on all poles of the stator 3.

Ротор 7 состоит из вала 8 и диска 10, к которому прикреплено силовое кольцо 11. Вал своими концами входит в подшипники скольжения 9, расположенные в торцевых щитах 2. Силовое кольцо 11 охватывает снаружи статор 3. На внутренней поверхности силового кольца 11 установлена магнитная система ротора, состоящая из секторных пластин 12 с выемками, собранных в пакеты и изготовленных из шихтованного железа. Пакеты секторных пластин 12 помещаются на внутренней поверхности силового кольца 11. В выемках расположены полюсные пластины 13, также изготовленные из шихтованного железа и собранные в пакеты. По обеим сторонам пакетов полюсных пластин наклонно расположены магнитные блоки 14. Полюсные пластины 13 стянуты в аксиальном направлении через нажимные пластины 15 крепежными элементами 16, установленными в отверстиях полюсных пластин 13. Магнитные блоки 14 по краям соединены с нажимными пластинами 15 полюсных пластин 13. Каждая полюсная пластина 13 имеет прорезь 17, идущую от угла пластины до отверстия, в котором размещен крепежный элемент 16, стягивающий пакет полюсных пластин. Со стороны прорези установлены профильные элементы 18, жестко соединенные с крепежным элементом 16 с помощью силовых стяжек 19. Силовая стяжка может представлять собой в одном из вариантов элемент, имеющий цилиндрический конец с резьбой с одной стороны. Другой конец элемента имеет прямоугольную форму и приварен (для обеспечения компактности стыка) к крепежному элементу 16 в виде шпильки. Таким образом, пакет полюсных пластин 13, магнитные блоки 14, крепежный элемент 16, стягивающий пакет полюсных пластин 13, и профильный элемент 18 с силовыми стяжками 19 образуют единый конструктивный узел.The rotor 7 consists of a shaft 8 and a disk 10 to which a power ring is attached 11. The shaft at its ends enters the sliding bearings 9 located in the end shields 2. The power ring 11 extends outside the stator 3. A rotor magnetic system is installed on the inner surface of the power ring 11 consisting of sector plates 12 with recesses assembled in bags and made of laden iron. Packages of sector plates 12 are placed on the inner surface of the power ring 11. In the recesses are pole plates 13, also made of laden iron and assembled in bags. Magnetic blocks 14 are obliquely located on both sides of the pole plate packages. The pole plates 13 are axially tightened through the pressure plates 15 by fasteners 16 mounted in the holes of the pole plates 13. The magnetic blocks 14 are connected at the edges to the pressure plates 15 of the pole plates 13. Each pole the plate 13 has a slot 17 extending from the corner of the plate to the hole in which the fastening element 16 is placed, tightening the package of pole plates. On the slot side, profile elements 18 are mounted, rigidly connected to the fastening element 16 by means of power ties 19. The power coupler can be in one embodiment an element having a cylindrical end with a thread on one side. The other end of the element has a rectangular shape and is welded (to ensure a compact joint) to the fastening element 16 in the form of a stud. Thus, the package of pole plates 13, the magnetic blocks 14, the fastener 16, the tightening package of the pole plates 13, and the profile element 18 with power ties 19 form a single structural unit.

На внутренней поверхности силового кольца 11 между секторными пластинами 12 расположены аксиальные планки 20 с резьбовыми отверстиями. Аксиальные планки 20 скреплены с силовым кольцом 11, например, посредством сварки и выполняют роль шпонок.On the inner surface of the power ring 11 between the sector plates 12 are axial straps 20 with threaded holes. The axial straps 20 are fastened to the power ring 11, for example, by welding and act as keys.

Между вышеуказанными конструктивными узлами расположены клинья 21, соединенные с соответствующей аксиальной планкой 20 шпильками 22, проходящими в зоне сопряжения секторных пластин 12. Для размещения шпилек 22 в пакетах секторных пластин 12 выполнены местные занижения 23.Between the above structural units, wedges 21 are located, connected to the corresponding axial plate 20 by pins 22 extending in the mating zone of the sector plates 12. To locate the studs 22 in the packages of sector plates 12, local understatements 23 are made.

Элементы крепления, скрепляющие между собой магнитные блоки 14, пакет полюсных пластин 13, крепежный элемент 16 с силовыми стяжками 19 и профильный элемент 18 позволяют образовать промежуточный прочный конструкционный узел, что обеспечивает удобство сборки ротора двигателя.The fastening elements fastening the magnetic blocks 14 together, the package of pole plates 13, the fastening element 16 with power ties 19 and the profile element 18 make it possible to form an intermediate durable structural unit, which makes it convenient to assemble the motor rotor.

После установки пакетов секторных пластин 12 по окружности в их выемки устанавливается ранее собранный конструктивный узел. После этого устанавливаются клинья 21 и с помощью шпилек 22, ввинчиваемых в резьбовые отверстия аксиальных планок 20, все элементы притягиваются к силовому кольцу 11. При затяжке клин 21 прижимает конструктивный узел с магнитными блоками 14 к пакету секторных пластин 12, который, в свою очередь, прижимается к силовому кольцу 11. Одновременно клинья 21 зажимают и фиксируют все элементы между собой в угловом направлении, образуя так называемый арочный распор. Посредством этого все элементы зажаты и прикреплены к силовому несущемуAfter installing the packages of sector plates 12 around the circumference, a previously assembled structural unit is installed in their recesses. After that, wedges 21 are installed and with the help of pins 22 screwed into the threaded holes of the axial plates 20, all elements are attracted to the power ring 11. When tightened, the wedge 21 presses the structural unit with magnetic blocks 14 to the sector plate package 12, which, in turn, pressed against the power ring 11. At the same time, the wedges 21 clamp and fix all the elements together in an angular direction, forming the so-called arched strut. Through this, all the elements are clamped and attached to the power carrier.

- 2 010775 кольцу 11.- 2 010775 ring 11.

При действии электромагнитных сил полюсные пластины 13 притягиваются к полюсам статора 5, при этом магнитная система ротора не смещается от своего начального положения. Во время работы машины действующий на полюсные пластины 13 тангенциальный электромагнитный момент передается на секторные пластины 12, которые удерживаются от смещения приваренными к силовому кольцу 11 аксиальными планками 20.Under the action of electromagnetic forces, the pole plates 13 are attracted to the poles of the stator 5, while the rotor magnetic system does not shift from its initial position. During operation of the machine, the tangential electromagnetic moment acting on the pole plates 13 is transmitted to the sector plates 12, which are kept from displacement by axial bars 20 welded to the power ring 11.

Работа электрической машины происходит следующим образом. На катушки статора, которые соединены между собой нужным образом, подается питание переменного напряжения, и по ним начинает проходить ток, амплитуда которого меняется во времени по требуемому закону. При взаимодействии протекающего тока и магнитного поля, которое определяется суммой полей, создаваемых протекающим током и постоянными магнитами, возникает вращающий электромагнитный момент, приводящий двигатель в движение.The operation of the electric machine is as follows. The stator coils, which are interconnected as needed, are supplied with AC voltage, and a current begins to pass through them, the amplitude of which varies in time according to the required law. In the interaction of the flowing current and the magnetic field, which is determined by the sum of the fields created by the flowing current and permanent magnets, a rotating electromagnetic moment arises, driving the motor.

Центробежные нагрузки, возникающие при вращении ротора, в этой конструкции передаются на силовое кольцо 11 через всю площадь его боковой поверхности. Это позволяет снизить общий уровень напряжений в материале кольца, выравнивая его по сечению, что позволяет увеличить скорость вращения и, тем самым, увеличить достигаемую мощность машины.Centrifugal loads arising from the rotation of the rotor in this design are transmitted to the power ring 11 through the entire area of its lateral surface. This allows you to reduce the overall stress level in the material of the ring, aligning it with a cross section, which allows to increase the speed of rotation and, thereby, increase the achieved power of the machine.

Claims

CLAIM

1. An electric machine comprising an explicitly polar stator, an explicitly polar rotor mounted outside the stator and formed by a power ring and a magnetic system including packages of sector plates with recesses in which packages of pole plates are arranged having essentially a triangle shape, one of the vertices of which is facing to the power ring, and tangentially magnetized magnetic blocks located between the packages of sector and pole plates, with each package of pole plates pulled in the axial direction by means of a crepe element passed through the inner hole in the pole plates, characterized in that each pole plate is provided with a slot extending from the specified inner hole to the specified top, and provides a profile element mounted in the region of the indicated top in the axial direction of the rotor, rigidly connected through the specified slot with a fastening element by means of at least one power coupler in such a way that said profile element abuts against the inner end faces of the magnetic wires locks.

2. The electric machine according to claim 1, characterized in that the package of pole plates, two magnetic blocks, a profile element, at least one power coupler and a fastening element form an independent structural unit installed in the recess of the package of sector plates.

3. The electric machine according to claim 2, characterized in that for fixing these independent structural units and packages of sector plates on the power ring, wedges are installed between the independent structural nodes, each wedge connected by at least one hairpin to the power ring.

4. The electric machine according to claim 3, characterized in that said wedge fits snugly against the outer end faces of the magnetic blocks.

5. The electric machine according to claim 3, characterized in that the pin is connected to an axial bar rigidly connected to the power ring.

6. The electric machine according to claim 5, characterized in that the axial bar is welded to the power ring.

7. The rotor of the electric machine, formed by a power ring and a magnetic system comprising packages of pole plates having a substantially triangular shape, packages of sector plates and magnetic blocks, each package of pole plates being pulled axially by means of a fastener passed through an internal hole in the pole plates and two pressure plates attached to the ends of the fastener, and the magnetic blocks are adjacent to two sides of the specified package of sector plates, characterized in that in Each pole plate has a slot from an angle opposite the surface of the pole to the inner hole, at the specified angle in the axial direction along the package there is a plate rigidly connected to the fastener by at least one force tie placed in the slot, while the specified plate is adjacent to two inner end sides of said magnetic blocks.